## Implementasi Modul Komunikasi LoRa RFM95W Pada Sistem Pemantauan Listrik 3 Fasa Berbasis IoT
Ahmad Adhitya Nurhadi 1 , Denny Darlis 2 , Muhammad Ary Murti 3
1,2 D3 Teknologi Telekomunikasi, Fakultas Ilmu Terapan, Universitas Telkom, Bandung, Indonesia
3 S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom, Bandung, Indonesia
1 ahmadadhityanurhadi@student.telkomuniversity.com, 2 dennydarlis@telkomuniversity.ac.id,
3 arymurti@telkomuniversity.ac.id
Diterima 27 Mei 2021
Disetujui 19 Juni 2021
Abstract— The use of electricity for large loads such as buildings and industry is a 3-phase electrical system. The manual  activity  of  recording  or  monitoring  data  on electricity  usage  is  considered  impractical,  so  the  use of IoT devices can be a solution. However, sending data on IoT  devices  using  wired  communication  and  Wi-Fi  is considered  less  suitable  considering  that  the  device  will be  placed  in  a  panel  room  that  is  rarely  covered  in  the network.  So  that  the  use  of  other  IoT  communications such as LoRa can be an option. Therefore, the design and manufacture of LoRa-based IoT devices was carried out. This  is  done  to  expand  the  scope  of  IoT  devices  in carrying  out  3-phase  kWh  meter  readings.  The  device sends  data  through  LoRa  communication  with  test parameters,  namely  RSSI,  SNR  and  throughput.  The device made is an interface between a 3-phase kWh meter with LoRa communication which includes a MAX485 IC, ATMega  2560  microcontroller,  and  LoRa  RFM95W communication module. From the test results, the device can  send  3-phase  kWh  meter  data  every  3.611  seconds with  an  average  throughput  of  957.231  bps.  LoRa communication performance used in LOS conditions can reach 300 meters with RSSI -107.625 dBm, SNR -13.063 dB.  Meanwhile,  in  non-LOS  conditions  the  lowest  RSSI was -103.338 dBm and the lowest SNR was -8.897 dB.
Index  Terms—  LoRa, microcontroller,  3-phase  kWh meter

## I. P ENDAHULUAN
Listrik  merupakan  sumber  energi  yang  sangat penting dan sudah menjadi bagian kehidupan yang tak terpisahkan  [1].  Sistem  listrik  yang  digunakan  untuk beban  yang  besar  seperti  gedung  atau  industri  adalah sistem 3 fasa [2]. Penggunaan listrik umumnya dibaca dengan perangkat yang disebut kWh Meter. Perangkat kWh meter konvensional hanya melakukan pengukuran energi  aktif  serta  hasil  pengukurannya  hanya  dapat dibaca  pada  display,  sehingga  membutuhkan  operator manusia yang bertugas melakukan pencatatan data [3]. Pencatatan  data  penggunaan  listrik  manual  tentu merepotkan dan memerlukan kerja lebih. Maka dari itu, perangkat  Internet  of  Things  (IoT)  menjadi  pilihan untuk  otomasi  pencatatan  penggunaan  listrik  [4]  [5].
Selain  menggunakan  perangkat  IoT,  komunikasi perangkat yang digunakan apabila menggunakan kabel dapat  meningkatkan  biaya  juga  merepotkan  untuk manajemen kabelnya, sehingga menggunakan komunikasi  nirkabel  bisa  menjadi  solusi  [6].  Namun, komunikasi  nirkabel  yang  digunakan  diharapkan memiliki cakupan yang luas seperti LoRa (long range) [7], mengingat perangkat akan ditempatkan pada ruang panel yang biasanya tidak terjangkau jaringan nirkabel seperti Wi-Fi.
Untuk pengiriman data hasil pembacaan, komunikasi LoRa adalah salah satu opsi terbaik, karena penggunaan  daya  yang  rendah,  jangkauan  yang  jauh dan  hanya  perlu  sebuah  kanal  komunikasi  sebagai gateway  untuk  menghubungkan  beberapa  perangkat IoT [7]. Dengan mengkombinasikan komunikasi LoRa dengan perangkat IoT dapat mengamankan data selain efektivitasnya karena menghemat kanal jaringan. Maka dari  itu,  pembuatan  kWh  meter  IoT  3  fasa  berbasis LoRa dapat menjadi solusi untuk masalah pemantauan dan  pencatatan  penggunaan  energi  listrik,  juga  lebih menghemat kanal jaringan.
Pada paper ini akan membahas kinerja komunikasi LoRa  akan  ditunjukan  dengan  parameter  RSSI,  SNR dan throughput dengan dua scenario yaitu LOS (Line of Sight) dan non-LOS.

## II. T INJAUAN P USTAKA

## A. Long Range (LoRa)
LoRa adalah salah satu sistem komunikasi nirkabel untuk  IoT. Sistem ini  memiliki  kemampuan komunikasi  jarak  jauh  hingga  15  km  dengan  kondisi LOS ( Line of Sight ) dan berdaya rendah [7]. Sistem ini dipromosikan oleh LoRa Alliance dengan tujuan dapat digunakan  dalam  perangkat  bertenaga  baterai  yang tahan lama. Teknologi LoRa juga memiliki ketahanan yang  baik  terhadap  derau  dalam  sistem  transmisi. Kelebihan  lain  sistem  ini  adalah  keamanannya  dari serangan siber karena yang terintegrasi dengan jaringan

## ISSN 2355-3286
hanyalah bagian gateway . Selain itu, sistem LoRa lebih efisien  dalam  mengehemat  kanal  komunikasi  karena cukup  menggunakan  sebuah  kanal  untuk gateway dibandingkan  sebuah  kanal  untuk  tiap  perangkat  IoT. LoRa umumnya mengacu pada dua layer yang berbeda, yaitu sebagai berikut [7].
1. Physical layer , menggunakan teknik modulasi radio Chirp Spread Spectrum (CSS). Physical layer LoRa yang dikembangkan oleh Semtech, memungkinkan komunikasi jarak jauh, daya rendah, dan throughput rendah. Ini beroperasi pada pita ISM 433 MHz, 868 MHz  atau  915  MHz,  tergantung  pada  wilayah dimana  LoRa  diterapkan.  Muatan  setiap  transmisi dapat berkisar dari 2-255 byte, dan kecepatan data dapat  mencapai  hingga  50  Kbps  saat  agregasi saluran  digunakan.  Teknik  modulasi  adalah teknologi milik Semtech [7].
2.  Protokol  MAC layer (LoRaWAN),  menyediakan mekanisme kontrol akses menengah, yang memungkinkan  banyak  perangkat  akhir  untuk berkomunikasi  dengan gateway menggunakan modulasi LoRa.  Sementara  modulasi  LoRa  adalah hak milik, LoRaWAN adalah standar terbuka yang dikembangkan oleh LoRa Alliance [7].
Gambar 1. Ilustrasi Arsitektur Jaringan LoRa [7]

## B. Modul Komunikasi LoRa RFM95W
Modul  RFM95W  adalah  modul  komunikasi  LoRa single channel dengan spesifikasi sebagai berikut.

## Tabel 1. Spesifikasi Modul RFM95W [8]
Frequency Band 868/915 MHz Spreading Factor 6 - 12 Bandwidth 125 - 500 kHz Effective Bitrate .293 - 37.5 kbps Estimated Sensitivity -111 - -136 dBm

## C. Perangkat kWh Meter Berbasis IoT
Pengukuran  daya  listrik  umunya  menggunakan kWh  meter  [9].  Untuk  saat  ini,  kWh  meter  dibagi menjadi  dua  model,  yaitu  kWh  meter  analog  dan digital. Untuk kWh meter analog merupakan perangkat lawas yang banyak digunakan oleh PLN [3]. Sedangkan kWh  meter  digital  merupakan  perangkat  yang menggunakan  teknologi  baru  dan  datanya  dapat diambil  [10].  Umumnya  kWh  meter  yang  beredar disebut power  meter dan  sudah  banyak  yang mendukung protokol Modbus dan dilengkapi komunikasi serial RS485 seperti 3-phase power meter ZM194-D97 buatan ZIZM [11].
Gambar 3. Diagram kWh Meter Berbasis IoT
Namun,  sistem  pemantauan  listrik  baik  dalam penggunaan  industri  umumnya  masih  menggunakan sistem  onsite  dimana  ada  sebuah  komputer  yang mencatat  dan  bahkan  beberapa  masih  dicatat  secara manual. Umumnya sistem IoT untuk pemantauan listrik belum  bersifat  satu  kesatuan,  dimana  ada  sebuah mikrokontroler  yang  dihubungkan  dengan  modul komunikasi  dan  perantara  [12].  Untuk  itu  kWh  meter IoT adalah sebuah perangkat yang memiliki sistem IoT yang sudah terpasang dan sudah dalam satu kesatuan.
Gambar 4. Ilustrasi Perangkat kWh Meter 3 Fasa Berbasis IoT

## III. M ETODE P ENELITIAN
Pengujian  kinerja  komunikasi  LoRa  perangkat dilakukan dengan dua skenario yaitu kondisi LOS (Line of  Sight)  dan  kondisi  non-LOS.  Pengujian  kinerja dilakukan  di  area  Universitas  Telkom  pada  tanggal  9 April  2021.  Kondisi  LOS  dilakukan  pada  area  FTE hingga  asrama putri  Universitas Telkom dengan  jarak maksimal  300  m,  sedangkan  kondisi  non-LOS dilakukan  di  Gedung  Deli,  Universitas  Telkom.  Data yang  dikirimkan  adalah  data  dummy  sebesar  233 karakter  (233 byte) dimana data  ini  berbentuk  sebuah String  berisi  nilai  maksimal  dari  parameter  tegangan tiap fasa ke netral, tegangan antar fasa, arus tiap fasa, daya  aktif  tiap fasa,  daya reaktif  tiap fasa,  daya  semu tiap  fasa,  faktor  daya  tiap  fasa,  frekuensi,  total  energi
aktif  dan  35  karakter  khusus  untuk  pemisah  tiap parameter.
Gambar 5. Ilustrasi Skenario Pengujian
Pengujian perfomansi komunikasi LoRa perangkat dilakukan  dengan  dua  kondisi  yaitu  LOS  (Line  of Sight) dan Non-LOS menggunakan dua perangkat yang sama dimana salah satu perangkat menjadi transmitter (TX) dan satunya lagi sebagai receiver (RX) (point-to- point).  Perangkat  RX  dihubungkan  ke  laptop  dan diambil datanya menggunakan Putty melalui komunikasi  serial  (Serial  Monitor),  sehingga  setiap menerima data dari TX, informasi yang diterima akan langsung dicatat pada laptop.
Untuk spesifikasi komunikasi LoRa yang digunakan adalah sebagai berikut.
1.  Frekuensi : 915 MHz
2.  Gain Antenna Tx/Rx  : 5 dB
3.  Setting Gain Program   : 5 dB
4.  Output Power Tx/Rx  : 20 dBm
5.  Data/Payload : 233 byte
Nilai  frekuensi  915  MHz  sama  dengan  frekuensi bawaan  dari  modul  RFM95W,  Output  Power  diatur sesuai  maksimal  power  dari  modul  RFM95W. Digunakan antena unipole dengan frekuensi 915 MHZ dan Gain 5 dB untuk antena perangkat TX dan RX. Juga diatur  pada  program  agar  dilakukan  penguatan  secara internal sama dengan penguatan pada antena. Perangkat TX akan mengirimkan data secara kontinu dengan jeda 1  detik  dengan  broadcast  data  rate  sebesar  1179,323 bps.

## A. Pengujian Kondisi LOS
Pengujian LOS dilakukan di lingkungan Universitas Telkom dengan jarak antara transmitter dan receiver  300  m.  Pengambilan  data  pada  sisi  receiver dilakukan tiap 50 m selama 5 menit.
Gambar 6. Lokasi Pengujian Kondisi LOS

## B. Pengujian Kondisi Non- LOS
Pengujian  kondisi  Non-LOS  dilakukan  di  Gedung Deli,  Universitas  Telkom.  Transmitter  diletakkan  di ruang panel P114 lantai 1 Gedung Deli. Ada tiga titik uji  receiver  dan  dilakukan  pada  tiap  lantai.  Kondisi Gedung  Deli  cukup  sepi,  tetapi  terdapat  banyak aktivitas pada lantai 2. Lama pengambilan data adalah 5 menit pada tiap titik disetiap lantai.
Gambar 7. Lokasi Pengujian Kondisi Non-LOS

## IV. H ASIL DAN A NALISIS

## A. Kondisi LOS
Dari  hasil  pengujian  kondisi  LOS,  didapat  data sebagai berikut.

## ISSN 2355-3286

## Tabel 2. Hasil Pengujian Komunikasi LoRa Kondisi
LOS Jarak (m) Average RSSI (dBm) Average SNR (dB) Real Data Rate (bps) 0 -36,475 8,019 1281,500 50 -81,946 6,250 1259,459 100 -88,455 3,881 1292,091 150 -90,250 2,358 1270,909 200 -94,268 -1,583 1287,048 250 -104,306 -10,009 1208,148 300 -107,625 -13,063 1223,250
Dari tabel diatas dapat dilihat parameter RSSI dan SNR  makin  menurun  jika  makin  jauh  jarak  antara transmitter  dan  receiver.  Data  throughput  cukup fluktuatif, data ini didapatkan dengan membagi dengan payload dengan delay tiap pengiriman data. Data RSSI paling rendah adalah -107,625 dBm pada jarak 300 m, untuk  SNR  adalah  -13,063  dB  pada  jarak  300m, sedangkan throughput adalah 1208,148 bps pada jarak 250 m.

## B. Kondisi Non-LOS
Dari  hasil  pengujian  kondisi  LOS,  didapat  data sebagai berikut.
Tabel 3. Hasil Pengujian Komunikasi LoRa Kondisi Non-LOS Posisi RX Lantai Average RSSI (dBm) Average SNR (dB) Real Data Rate (bps) A Lantai 1 -73,364 8,080 847,273 A Lantai 2 -84,727 6,290 854,333 A Lantai 3 -90,159 2,676 847,273 A Lantai 4 -100,293 -6,293 844,203 B Lantai 1 -96,206 -2,888 846,567 B Lantai 2 -102,500 -8,000 841,389 B Lantai 3 -98,528 -4,869 847,273 B Lantai 4 -102,308 -8,154 848,359 C Lantai 1 -88,955 3,926 847,273 C Lantai 2 -87,182 5,398 847,273 C Lantai 3 -99,681 -5,706 846,567 C Lantai 4 -103,338 -8,897 831,490
Dari  tabel  diatas  didapatkan  data  dari  tiga  titik receiver  tiap  lantai.  Dimana dapat dilihat pada  titik  B lantai 2, terjadi penurunan RSSI, SNR dan throughput, hal ini disebabkan banyak orang dan aktivitas dititik uji tersebut.  Data  RSSI  paling  rendah  adalah  -103,338 dBm pada titik C lantai 4, untuk SNR adalah -8,897 dB pada  titik  C  lantai  4,  sedangkan  throughput  adalah 831,49 bps pada titik C lantai 4.

## V. S IMPULAN
Komunikasi LoRa yang digunakan memiliki kinerja yang baik, dimana kondisi LOS dapat mencapai jarak 300 m dengan RSSI paling rendah -107,625 dBm pada jarak 300 m,  SNR  -13,063  dB  pada  jarak 300  m,  dan throughput 1208,148 bps pada jarak 250 m.  Perangkat dapat  diaplikasikan  di  dalam  gedung  seperti  yang dilakukan  pada  pengujian  kondisi  Non-LOS  dengan RSSI paling rendah -103,338 dBm pada titik C lantai 4, SNR  -8,897  dB  pada  titik  C  lantai  4,  dan  throughput 831,49 bps pada titik C lantai 4. Pengiriman data power meter  melalui  perangkat  dengan  komunikasi  LoRa dapat dilakukan dengan baik, dimana perangkat mampu mengirimkan  data  dengan  rata-rata  delay  3,611  detik dan throughput mencapai 957,231 bps. Adapun untuk penggunaan  dilapangan,  perlu  digunakan  perangkat gateway  LoRa  dengan  power  yang  besar  untuk mengkaver node pengirim data power meter.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  Tim Peneliti RISPRO (Riset Inovatif Produktif) Intelligent Energy  Monitoring  System  (IEMS)  Universitas Telkom  yang  bekerjasama  dengan  Antares  Telkom DDS yang sudah membiayai pembuatan perangkat dan memfasilitasi pengujian perangkat.

## D AFTAR P USTAKA
[1] G. R. Barai, S. Krishnan dan B. Venkantesh, “Smart Metering and  Functionalities  of  Smart  Meters  in  Smart  Grid  -  A Review,” EPEC 2015 , pp. 138-145, 2016.
[2] M.  A.  D.  Alghifary,  M.  A.  Murti  dan  C.  Setianingsih, “DESIGN OF MANAGEMENT DEVICES AND ELECTRICAL  LOAD  CONTROL,” e-Proceeding  of Engineering , vol. 7, no. 1, pp. 148-155, 2020.
[3] F. Fitriastuti dan Siswadi, “Aplikasi KwH ( Kilo What Hour ) Meter  Berbasis  Microntroller  Atmega  32  Untuk  Memonitor Beban Listrik,” Jurnal  Kompetensi  Teknik ,  vol.  2,  no.  2,  pp. 117-125, 2011.
[4] M.  I.  Suga  dan  H.  Nurwarsito,  “Sistem  Monitoring  KWH Meter  berbasis  Modul  Komunikasi  LoRa,” Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer , vol. 5, no. 4, pp. 1257-1266, 2021.
[5] K.  K.  Patel  dan  S.  M.  Patel,  “Internet  of  Things-IOT:
Definition, Characteristics, Architecture, Enabling Technologies, Application & Future Challenges,” International Journal of Engineering Science and Computing , vol. 6, no. 5, pp. 6122-6131, 2016.
[6] B.  Artono  dan  F.  Susanto,  “WIRELESS  SMART  HOME SYSTEM  MENGGUNAKAN  INTERNET  OF  THINGS,” Jurnal Teknologi Informatika dan Terapan , vol. 05, no. 01, pp. 17-23, 2018.
[7] A. Agustin, J. Y dan M. T. W, “A Study Of LoRa: Long Range &  Low  Power  Networks  For  the  Internet  Of  Things,” Ecole Polytechique Router de Saclay .
[8] HOPERF,  “HOPERF  RFM95W,”  Juli  2019.  [Online]. Available:
https://www.hoperf.com/data/upload/portal/20190801/RFM9 5W-V2.0.pdf. [Diakses 24 Maret 2021].
[9] G.  Herandy  dan  B.  Suprianto,  “Monitoring  Biaya  Dan Pengukuran  Konsumsi  Daya  Listrik  Berbasis  Arduino Mega2560 Menggunakan Web,” Jurnal Teknik Elektro, vol. 8, no. 3, pp. 695-702, 2019.

## ISSN 2355-3286
[10] A.  dan  E.  Zondra,  “RANCANG  BANGUN  KWH  METER MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMEGA 8535,” SainETIn (Jurnal Sain, Energi, Teknologi & Industri), vol. 2, no. 2, pp. 44-51, 2018.
[11] F. Ramdana, M. Nasrun dan C. Setianingsih, PERANCANGAN  PURWARUPA  PEMETAAN  KWH METER  BERBASIS  INTERNET  OF  THINGS  (IoT),
Bandung: Telkom University, 2019.
[12] ResearchGate,  “Developing Low  Cost  Laboratory  Apparatus for  Hardware  Interfacing  System,”  April  2014.  [Online]. Available: https://www.researchgate.net/figure/Block-
Diagram-of-the-Intel-8051-Microcontroller-211-Central- Processing-Unit-The_fig1_291196461/actions#reference. [Diakses 20 Mei 2021].